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[導(dǎo)讀]   核心提示:智能手機薄型化設(shè)計,使得觸控面板控制器容易受到顯示器產(chǎn)生的雜訊干擾。為解決此一問題,觸控芯片開發(fā)商已著手改良觸控傳感器設(shè)計,并加強觸控模組與LCD面板運作頻率的同步化。目前新的設(shè)計

  核心提示:智能手機薄型化設(shè)計,使得觸控面板控制器容易受到顯示器產(chǎn)生的雜訊干擾。為解決此一問題,觸控芯片開發(fā)商已著手改良觸控傳感器設(shè)計,并加強觸控模組與LCD面板運作頻率的同步化。目前新的設(shè)計方桉,已獲得In-cell內(nèi)嵌式電容式觸摸屏開發(fā)商導(dǎo)入。

  顯示器產(chǎn)生的雜訊會干擾電容式觸摸屏的感測功能,要進一步改善就須了解液晶顯示(LCD)技術(shù)的基本原理及雜訊產(chǎn)生的原因,方能找出因應(yīng)之道。

  首先須整理出現(xiàn)今市面上有哪些種類的顯示器,如主動矩陣有機發(fā)光二極體(AMOLED)、薄膜電晶體(TFT)LCD等智能手機常用方桉。一般來說,AMOLED的畫質(zhì)較佳,對觸控芯片產(chǎn)生的雜訊干擾也少于LCD,但AMOLED面板較昂貴,制造難度也高于LCD;因此,LCD至今仍主宰整個市場。由于LCD顯示器是最受歡迎的技術(shù),但產(chǎn)生的雜訊也最多,因此本文將把焦點放在LCD。

  觸控薄型化加劇LCD雜訊

  為了解LCD何以產(chǎn)生雜訊,須掌握LCD基本運作原理。如圖1所示,從LCD顯示器的最底層開始,光線在此產(chǎn)生后再朝上反射,每個畫素含有紅、綠、藍三個子畫素,每個子畫素又包含一個液晶疊層(Sandwich),疊層頂部則貼合氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜,其頂層與底層中間夾著液晶材料。

  

  圖1 LCD與觸控面板架構(gòu)圖

  其中,頂層為所有子畫素的共極,通常稱為VCOM層;底層則專為子畫素配置,稱作子畫素電極,當(dāng)電壓導(dǎo)通到LC疊層,液晶材料就會扭轉(zhuǎn)白光的極性 (Polarity),在疊層上方的偏光板,只讓特定極性的光線通過。若光線的極性與偏光板的極性一致,子畫素就會達到最高亮度。若光線極性與偏光板相反,子畫素的亮度就降到最低。

  此外,每個子畫素都有一層彩色濾光片(R、G、或B),其作用類似彩繪玻璃窗,藉由把電壓導(dǎo)至三個子畫素的液晶疊層,畫素就能設(shè)定成任何RGB組成色。每個子畫素還含有一個TFT,做為導(dǎo)至液晶疊層電壓的on/off開關(guān),這樣的設(shè)計在刷新全屏幕影像時能有效對屏幕上的畫素進行排序。

  如圖2顯示,畫素在TFT閘極(Gate)被開啟,TFT的源極(Source)連結(jié)到彩色數(shù)字類比轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出端,TFT汲極(Drain)則連結(jié)到ITO子畫素電極。由于液晶材料無法承受直流(DC)電壓,因此偏壓必須是交流電。ACVCOM與DCVCOM兩種類型的LCD顯示器也有所差異,前者主要透過一個差分電壓主動驅(qū)動VCOM與子畫素電極,因VCOM層係由AC推動,故稱為ACVCOM方桉。后者則透過DC驅(qū)動共極層,而子畫素由AC 驅(qū)動,此信號以DC值為中心進行偏擺,兩種VCOM方桉各有不同的效能與成本優(yōu)劣勢。

  

  圖2 LCD與觸控面板電路圖

  業(yè)界都知道ACVCOM因主動驅(qū)動大面積的ITO(VCOM)層,將造成大量雜訊;DCVCOM則以低雜訊的表現(xiàn)為業(yè)界所熟知,然而事實不一定如此。以往傳感器與LCD表面之間有一層薄的空隙(Air Gap)。但現(xiàn)今手機做得更薄,因此大多不再有這層空隙,將ITO傳感器直接貼合到LCD表面的方式逐漸為大多數(shù)廠商采用,造成雜訊耦合更加嚴(yán)重。

  更有甚之,業(yè)界當(dāng)前設(shè)計方向是要求觸控面板控制器能直接感測VCOM和子畫素電極,也就是內(nèi)嵌式(In-Cell)觸控技術(shù),此來,觸摸屏與LCD控制器之間須進行同步化,才能在掃描觸摸屏?xí)r免除雜訊干擾;現(xiàn)在大多數(shù)智能手機的LCD也逐漸淘汰ACVCOM,轉(zhuǎn)用更高品質(zhì)的DCVCOM與 AMOLED顯示器,并朝向直接貼合或In-Cell發(fā)展,藉以降低制造成本與產(chǎn)品厚度。

  LCD雜訊將耦合至觸控傳感器

  至于LCD雜訊如何耦合到觸摸屏傳感器,主要是其電路雜訊將耦合到觸摸屏電路的兩個電容。第一個電容為CLC,這個電容是在子畫素與VCOM表面之間形成,其間液晶材料的作用相當(dāng)于一個介電質(zhì)。

  就DCVCOM顯示器來說,驅(qū)動子畫素的AC信號耦合到VCOM層就會變成雜訊,并傳至整個面板。DCVCOM層看似是一個良好的AC接地端,因為以DC 電壓維持這個節(jié)點;但事實上則會削弱雜訊,因為VCOM層是由電阻相當(dāng)高的ITO制成,此處將發(fā)生第二個雜訊耦合電容的情況--CSNS。

  CSNS在VCOM層與電容傳感器之間形成,VCOM層剩馀的雜訊電壓會透過CSNS耦合到電容式觸摸屏傳感器,并傳至觸控面板控制器的接腳。對ACVCOM顯示器而言,由于以AC波型驅(qū)動VCOM,因此LCD雜訊也會透過CSNS直接耦合到觸摸屏傳感器。

  量測與分析LCD雜訊的方法相當(dāng)簡單,可用一個導(dǎo)電金屬連結(jié)到示波器探棒,或采用一片面朝下的銅片,然后直接覆蓋在顯示器的表面(不要附加觸摸屏傳感器)。另外也可用大銅板或一片銅帶,但要注意雜訊強度會隨著導(dǎo)體尺寸縮小而降低,因此最好覆蓋整個表面,藉以把示波器的耦合誤差減至最小。

  圖3顯示擷取到的ACVCOM信號波形,其中通常含有一個高強度基頻,其波形接近方波。ACVCOM運作頻率一般介于5k~25kHz之間,通?;l頻率會對應(yīng)到LCD每列畫素更新(掃描線頻率)的速度。

  

  圖3 ACVCOM顯示器耦合雜訊與時間關(guān)系圖

  圖4則顯示實際擷取到的DCVCOM波形。DCVCOM波形類似數(shù)個尖銳的高頻脈沖,沒有類似ACVCOM的高強度基頻,但其諧波量可輕易沖高到 50k~300kHz,短暫的脈沖對應(yīng)到子畫素電極驅(qū)動信號。DCVCOM雜訊的特性和顯示影像有高度相依性,最糟狀況的影像通常是整個屏幕上以棋盤狀排列的黑白交錯畫素(看起來接近灰色);但是在分析DCVCOM顯示器特性之前,請務(wù)必測試多種不同影像。

  

  圖4 DCVCOM顯示器耦合雜訊電壓與時間關(guān)系圖

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